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系统矩阵表示的电磁场时域计算方法

2015-03-08郑宏兴张玉贤

电波科学学报 2015年3期
关键词:电磁场方法系统

郑宏兴 张玉贤

(天津职业技术师范大学 天线与微波技术研究所,天津300222)

引 言

麦克斯韦电磁学理论体系的建立,对现代文明产生了重大影响.伴随计算机技术的快速发展,人们采用有限元法[1-2]、矩量法[3-4]和时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)法[5-6]等数值计算方法,通过编程来求解麦克斯韦方程组,模拟空间中的电磁场分布,从而解决复杂结构的电磁学工程应用问题,目前已经广泛应用于微波与毫米波通信、雷达、导航和地质探测等各个领域.FDTD是在时域内直接求解麦克斯韦方程组,标志性的工作是Yee提出的立方体网格剖分[5],电场和磁场分开半个时间步交错迭代,优点是计算的物理过程直观,对复杂目标建模相对容易,在计算机内部存储变量按照时间递推过程进行更新,对计算机内存要求相对较低,但是时间步长和空间网格受到稳定性条件的限制[6].后 来,Namiki[7]和Zheng[8]分 别 提 出了无条件稳定技术,从而突破了时间离散间隔的限制,采用变换方向的隐式(Alternative Direction Implicit,ADI)方法来求解方程,可实现无条件稳定.为了动态表达上述数值计算结果,一方面需要应用计算机的图形显示功能直观显示,另一方面还需要应用数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)[9-12]技术表达电磁波与物质的相互作用过程.DSP也是一门伴随计算机技术发展的数值计算技术,在语音、图像、地质探测和生物医学等方面得到广泛应用.无论是把DSP与计算电磁学相结合,用来处理等离子体或色散媒质的时间移位算子问题[9-10],还是将N阶色散媒……

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